О продолжительности жизни Земли мы можем судить по осадкам — слой за слоем, страница за страницей. И хотя древнейшие страницы постепенно тлеют и рассыпаются в прах, до наших дней дошло немало свидетельств геологической истории планеты.
Древние эпохи как бы спрессовываются в слоях, становятся прошлым, каменной летописью. Проницательный исследователь по сохранившимся в слоях приметам узнает прошлое, восстанавливает мысленно природные условия прежних времен. Даже отсутствие слоя, если оно фиксируется, — важный факт.
Геологическое время не имеет никакого смысла без соответствующих материальных проявлений, без «геологических часов» (ими могут служить осадочные напластования, отпечатки ископаемых животных и растений, радиоактивные минералы и многое другое).
Теория относительности предполагает резкое измене-кие свойств объектов при скоростях, приближающихся к скорости света (увеличение массы, «сплющивание»). При геологически медленных скоростях изменения свойств тоже внушительны.
Для гипотетического разумного существа, живущего в геологическом масштабе времени, окружающий мир выглядел бы примерно так. Реки, змеящиеся по равнине, переползают с места на место; берега морей как бы тают от постоянной волновой эрозии (волны по своей мимолетности не были бы заметны вовсе); острова выныривают из океанской пучины и вновь погружаются под урез воды; горные гряды вздымаются и корежатся, как ледяные торосы в половодье; вулканы быстро вспухают; моря блуждают на поверхности материков...
В геологическом масштабе времени земная кора подобна пластичной, вязкой массе. Ее там и сям могут продавливать, словно тесто, внедрения некоторых пород — примерно так же, как продавливают асфальт упорные растения (при постоянном давлении асфальт ведет себя как вязкое, пластичное тело). Канадские геофизики Д. Джекобе, Р. Рассел и Д. Уилсон отметили эту закономерность: «...такие термины, как «жесткий» и «жидкий», имеют смысл только в том случае, если определяется интервал времени, в течение которого прикладывались напряжения. Реологическое (Реология — техническая наука, изучающая пластические свойства материалов) поведение Земли может быть различным при напряжениях, прикладываемых в течение различных интервалов времени...
...Существует проблема реологического поведения вещества земной коры и оболочки при напряжении большой продолжительности. «Большая продолжительность» означает нижний предел 15 тыс. лет при типичной продолжительности 100 млн. лет. В этом диапазоне текучесть — основная характерная черта при постоянном напряжении».
И в обыденном нашем опыте приходится сталкиваться с реологическими свойствами предметов: резкий удар по струе воды раскалывает ее, как сосульку; старые стекла домов обычно чуть оплывают книзу; древние постройки вдавливаются в землю; лед стекает с крыш, закручиваясь под козырек; металлический шар, оставленный на «твердом» варе, через некоторое время тонет и т. д.
Вряд ли допустима полная аналогия поведения кристаллических пород в геологическом масштабе времени с поведением жидкостей. В огромном песчаном массиве отдельные песчинки могут быть уподоблены молекулам в капле жидкости (конечно, в грубом приближении, без учета истирания, поверхностных и капиллярных явлений и т. п.). Сами по себе зерна кристаллов в породе могут не изменяться — изменится их взаимное расположение.
Или произойдут микросдвиги по плоскостям спайности, уменьшится пористость и т. д.
Для значительных интервалов времени можно мысленно уподоблять земную твердь пластичной, сминаемой при медленных напряжениях и разрываемой при быстрых. Тем более это относится к глубоким недрам, где возрастают температуры и давления, а породы становятся вязкими или жидкими, даже по нашим обыденным меркам. В зависимости от принятых нами пространственных и временных интервалов меняются многие физические свойства пород: прочность, пластичность, сжимаемость, а также химический состав (например, при радиоактивном распаде минералов).
В обиходе вряд ли кто-либо из нас назовет гидросферу или атмосферу твердыми, а земную кору текучей. Однако общепринятые характеристики верны лишь по отношению к узкому диапазону привычных нам масштабов. Если бы кто-то просвечивал нашу планету с помощью ультрафиолетовых волн, для него показались бы твердыми даже очень разреженные слои стратосферы: эти волны почти полностью задерживаются озоновым слоем. Разглядывая Землю с помощью нейтрино, можно ее и вовсе не увидеть: эти частицы проникают сквозь каменную плоть планеты столь же легко, как и сквозь атмосферу.
Волны, прокатывающиеся на поверхности Земли во время землетрясений, раскачивающие деревья, как мачты кораблей в шторм, наглядно демонстрируют подвижность земной тверди... Впрочем, подобные волны дают лишь самое отдаленное представление о грандиозных и многообразных движениях земной коры.
Повторные топографические съемки, проводимые на морских или речных побережьях, показывают, что за десятки лет (ничтожный промежуток времени в планетарных масштабах) очертания берегов меняются подчас неузнаваемо. Непостоянны и абсолютные высоты поверхности Земли, и географическое положение тех или иных точек.
Наша извечная опора, земная твердь, каменный постамент человеческой цивилизации, подвижна, непостоянна.
О подвижности земной тверди вполне определенно высказался еще Аристотель около двух тысяч лет назад: «Море приходит туда, где была суша; суша вернется туда, где теперь мы видим море». А «отец географии» Страбон подразделял колебания поверхности земли на очень медленные, охватывающие огромные пространства, и быстрые, но локальные при землетрясениях.
В последующие века люди упорно и последовательно накапливали сведения о формах земной поверхности, распространении суши и моря, о необычайных горах, впадинах, подземных источниках воды, огня, пара. Человек, словно любознательный ребенок, осматривал свой замечательный космический дом. свою колыбель, из которой ему суждено было шагнуть к звездам... Существеннее были требования практики: поиски новых торговых путей и неведомых земель, нужда в подземных богатствах, стремление обезопасить себя от стихийных сил природы. За последнее столетие особенно бурно развивались техника и методика исследований. Это позволило с необычайной точностью производить замеры, составлять карты и аэрофотокарты, делать химические анализы, расшифровывать сигналы из глубин Земли.
Одновременно с накоплением фактов ученые классифицировали их, приводили в систему и пытались обобщить, выводя общие закономерности современного облика Земли (география) и истории ее развития (геология). И на этом пути успехов достигнуто немало.
Глядя на гребки гор, или пологие увалы, или утомительно плоскую равнину, опытный геоморфолог как бы читает книгу Природы. Размеры, высота и форма холмов, крутизна и характер склонов, уступы и плоскости, воронки и гряды, русло реки и глубина озера — сотни неприметных глазу деталей позволят специалисту по одному только внешнему виду местности догадаться о тех силах, которые господствовали здесь, о результатах их деятельности, о глубоких геологических корнях форм поверхности, о их прошлом и будущем.
В начале прошлого века во Франции было издано со•чинение с характерным заглавием: «Опыт физиогномии Земли, или Искусство заключать по поверхности Земли о ее внутреннем строении».
Тщательный анализ земной поверхности и приповерхностных зон позволяет достаточно обоснованно предполагать то или иное строение недр, историю развития, деятельность конкретных физико-геологических агентов... Вот только в ряде случаев таких обоснованных
ответов может оказаться несколько, да к тому же и противоречивых.
Резкие разногласия специалистов особенно ясно выявились более двухсот лет назад, в период научной войны нептунистов с плутонистами. Первые утверждали главенствующую роль в жизни Земли поверхностных сил, и в особенности воды. Вторые отдавали безусловное предпочтение «господствующему жару в земной утробе»,— говоря словами М. В. Ломоносова. Российский академик П. С. Паллас предлагал компромиссное решение: «Я полагаю, что нужно комбинировать последовательные действия вулканов и других подземных сил с действиями потопов или несколькими наступлениями океана, чтобы дать верное объяснение изменений, несомненно происходивших на Земле».
Последующие поколения естествоиспытателей провозглашали не раз победу то нептунизма, то плутонизма. Правда, со временем выявилось множество иных проблем, далеких от традиционных направлений. Сейчас уже вряд ли встретишь в научных спорах ссылки на нептунизм или плутонизм, хотя далекие отголоски былых дискуссий нетрудно уловить. Часть специалистов продолжают отстаивать свое мнение о господстве — пусть не абсолютном — на Земле сил поверхностных, экзогенных. Другие доказывают преобладание сил глубинных, эндогенных. Пожалуй, это направление за последние годы добилось перевеса.
Сложности создания единой теории Земли нетрудно себе представить, попытавшись хотя бы схематично сформулировать геолого-географические проблемы, на которые требуется найти более или менее убедительные ответы.
Шарообразная форма планеты. Звезды и планеты округлы (в первом приближении). Метеориты угловаты. В 1900 году астрономы отметили изменение яркости астероида Эрота. Через тридцать лет загадка объяснилась: астероид имеет форму бруска и, вращаясь, отражает от разных граней разное количество солнечных лучей. Форма планеты показывает господство в ее недрах сил гравитации, изменяющих привычные нам свойства твердых веществ. В твердых телах атомы имеют фиксированное положение и сплочены электромагнитными силами. Для столь легких объектов, какими являются атомы, силы гравитационных взаимодействий ничтожны. Однако эти силы возрастают пропорционально массам тел. Для планет в целом электромагнитные силы перестают играть решающую роль. Атомы начинают сдвигаться в соответствии с направлением более могучих сил. А гравитационные силы направлены к центру равновесия взаимодействующих масс — к центру планеты. В результате достаточно массивное космическое тело приобретает шарообразную форму.
Столь простая и очевидная закономерность имеет некоторые логические следствия. Господство сил, направленных к центру планеты, делает неизбежной радиальную симметрию Земли, осложненную эффектом вращения. А это значит, что на поверхности все изменения рельефа, химического строения, геологических условий должны стремиться к равномерному распределению. Существовавшие некогда отклонения от равновесия должны за миллионы, миллиарды лет снивелироваться. В крайнем случае облик Земли должен бы походить на облик Луны, покрытой оспинами кратеров. Но все факты показывают резкое различие разных районов Земли и явную десимметрию планеты в приповерхностной зоне.
Симметрия глубин. По имеющимся данным, признаки геологической активности Земли и ее десимметрии сходят на нет уже на сравнительно небольших глубинах (сто — пятьсот километров, редко больше, т. е. менее чем на десятой доле радиуса планеты). Это и не удивительно, если учесть действие гравитационных сил. Глубины Земли как будто показывают явное стремление к равновесию, к радиальной симметрии. Если бы в приповерхностных зонах господствовали глубинные или космические силы, то тогда десимметрия Земли не должна была бы проявляться резко, а отклонения от симметрии должны были бы соответствовать особенностям вращения или космического положения планеты.
Температура недр. Результаты исследований тепловых потоков из недр явились для теоретиков неожиданностью. Выявились зоны с аномально высокими тепловыми потоками: океанические хребты, окраины континентов, островные дуги. Наиболее низкие тепловые потоки — в древних ядрах континентов и на океанических платформах. Точнее, в одних зонах тепловые потоки сильно варьируют по величине, и в ряде случаев достигают значений, в несколько раз превышающих средние. В других зонах тепловой поток относительно стабилен и невысок.
Конечно, эти факты ныне учитываются учеными. Прежние гипотезы соответствующим образом откорректированы. Однако верная теоретическая модель должна предсказывать открытие новых фактов, а не постоянно модернизироваться, по мере появления непредвиденных открытий. С помощью таких реконструкций можно достаточно долго сохранять в науке полностью устаревшие гипотезы. Путем умелой модернизации нетрудно даже обыкновенную телегу превратить в автомобиль, и подобных телегомобилей немало сохранилось в науке до наших дней.
Гипсометрическая кривая. Линия, обобщающая рельеф Земли, выявляет две отчетливые ступени: океаническую и материковую равнины. Реконструкции палеогеографов и геологов показывают, что эти две ступени на протяжении геологической истории не только сохранялись, но и проявлялись все более резко. Обособление со временем континентов и океанов не объясняет как будто ни одна из существующих теорий Земли.
Форма континентов в общем клиновидна (Южная и Северная Америка, Азия, Африка), причем сужения направлены к Южному полюсу. Еще одна географическая загадка: если мысленно пересекать Землю прямыми линиями через центр, то в подавляющем большинстве случаев напротив суши будет море. Континенты антиподальны морям.
Строение земной коры под океанами и на континентах различно. Это позволяет говорить о континентальной и океанической земной коре. Континентальная кора более мощная, пестрая по составу, разбитая разломами на сравнительно небольшие глыбы и блоки. В то же время и на континентах и в океанах существуют области активных движений коры, сильных землетрясений и вулканизма наряду с пассивными областями (платформами).
Сочленения материков и океанов бывают геологически очень активны (воздымание гор, усиленная эрозия, землетрясения, вулканизм) и пассивны. К активным относятся почти все побережья Тихого океана, островные дуги. Здесь же располагаются линейно вытянутые глубоководные океанические желоба. Геологически пассивны побережья Атлантики и берега Антарктиды и островов Северного Ледовитого океана.
Континентальные платформы расширялись в геологической истории. По-видимому, пропорционально расширялись и зоны активизации, обрамляющие платформенные области. Общая масса континентальной коры возрастала.
Дно океанов расширялось. Во всяком случае для Атлантического и Индийского океанов это считается доказанным. Вероятно, расширялось и дно Тихого океана.
Континенты перемещаются по горизонтали, так же как и отдельные острова, островные дуги, полуострова. Такие движения нередко фиксируются с помощью приборов. Споры специалистов обычно касаются не принципиальной возможности перемещения массивов, а масштабов таких перемещений.
Ось вращения Земли испытывает колебания. Это доказано непосредственными замерами перемещения полюсов планеты. Правда, амплитуда доказанных сдвигов невелика.
Земная кора прогибается под нагрузкой, а после снятия нагрузки стремится восстановить равновесие (изостазию). Однако геофизические приборы отмечают нарушения изостазии почти повсеместно на поверхности Земли. О равновесии отдельных блоков земной коры, подобном равновесию двух чашек весов, можно говорить лишь
как об идеале. Хотя земная кора и устроена наподобие хорошо отрегулированных весов, она находится в постоянной работе и лишь изредка и ненадолго успокаивается.
Глубинные разломы рассекают во многих местах земную кору. Они прослеживаются подчас в верхах верхней мантии, на глубинах более ста километров. Наиболее крупные зоны глубинных разломов приурочены к активным окраинам континентов и островным дугам.
Геохимические круговороты — характерная особенность миграции (перемещения) вещества земной коры. Доказано неоднократное пребывание целого ряда горных пород и минералов на дневной поверхности и погружение в недра до десятков километров. Геохимики уверенно вычерчивают схемы подобных круговоротов, но геофизики и геоморфологи очень редко предполагают возможность круговоротов каменной оболочки планеты — литосферы.
Солнечное излучение, поступающее на поверхность планеты, абсолютно господствует над всеми другими источниками энергии.
...Пожалуй, не следует продолжать перечень. И без того очевидна немалая сложность и противоречивость (кажущаяся?) имеющихся данных. Вполне понятны трудности создания теории, удовлетворительно обобщающей эти и многие другие закономерности.
Сжатие планеты или ее расширение? Влияние Галактики или ядра планеты? Медленная эволюция или периодические катастрофы? Рост материков или рост океанов? Подобных противопоставлений обнаруживается немало. Каждое утверждение имеет более пли менее удовлетворительное фактическое и теоретическое обоснование. И каждое имеет немало уязвимых мест. Так что пересказ существующих гипотез и теорий о факторах, определяющих жизнь земной поверхности, занял бы очень много времени. Ограничимся кратким перечнем.
Космические воздействия: вариации гравитационных и ротационных сил в процессе вращения Галактики, движения Земли вокруг Солнца и Луны вокруг Земли, а также осевого вращения планеты; колебания солнечной активности и плотности космических излучений; общее расширение Вселенной и изменение гравитационной постоянной.
Глубинные планетарные процессы: движения подкоровых масс, связанные с термическими или гравитационными аномалиями; перекристаллизация и фазовые переходы вещества недр; разогрев за счет радиоактивного тепла, атомных и ядерных реакций; охлаждение путем теплового излучения в космос.
Поверхностные планетарные явления: увеличение и уменьшение нагрузок на отдельных участках; эрозионные процессы; изменения уровня океана; оледенения приполярных областей (изменения климата).
Почти все приведенные выше гипотезы могут быть в той или иной степени верными. На движениях земной поверхности безусловно должны как-то сказываться и космические силы, и приповерхностные, и глубинные. Основная трудность в определении основной (основных?), главных и второстепенных сил. Английский геофизик М. Ботт пишет: «Детальные геологические исследования поверхности континентов ведутся уже 150 лет, но фундаментальное объяснение хорошо известных фактов пока еще не получено».
Наука начинается за частоколом выученных фактов и гипотез, высказанных мнений и личных пристрастий. Передний край науки — на границе между познанным и неизвестным, там, где ждут исследователя неожиданности, открытия и ошибки. Наука — не дружное шествие по проторенным путям, а неустанные поиски истины. И вряд ли научные истины складываются из готовых кубиков. Необходимо искать новые решения, новые пути |(не забывая, конечно, о достигнутом — разумный консерватизм в науке вполне оправдан).
Сейчас мы отойдем от традиционного изложения фактов и идей. Попытаемся мысленно построить самую обобщенную, схематичную модель Земли (точнее, ее приповерхностной части) и представим себе, как она должна действовать, если учитывать основные особенности строения Земли и жизни ее поверхности.